高速公路瓦斯隧道的施工安全控制

曹 优 兰

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

渝广高速华蓥山隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线(ZK23+467～ZK28+485)全长 5 018 m，右 线 (K23+467～K28+467) 全 长5 000 m，总体走向约298°，为双向隧道，两线相距16～30 m，隧道净空高度为8 m，宽度达12.5 m。隧道纵坡设计为“人”字坡，进口端为0.507%的上坡，出口端为1.993%的上坡。

隧道洞身围岩为Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ类围岩，其中IV、V类围岩占隧道总长的75%，隧道穿越断裂构造、岩溶、岩溶水、煤层等不良地质和特殊地质地层，隧道中部为煤与瓦斯突出洞段，岩溶及岩溶水发育，隧道施工存在极大的安全风险。

2 安全风险分析

隧道施工通过高瓦斯工区时，易造成瓦斯局部富集，施工中可能发生瓦斯燃烧或爆炸事故；在其通过煤层煤与瓦斯突出危险工区时，可能发生煤与瓦斯突出的事故；隧道通过自然煤层工区时，施工中易发生煤层自然、煤尘爆炸事故；同时，隧道通过溶隙和溶洞工区时，因溶隙和溶洞内有天然气积聚，施工中易造成瓦斯爆炸及H2S中毒等安全事故。

隧道施工通过高压富水断层带、可溶岩与非可溶岩接触带、高压富水充填性溶腔溶洞、煤矿采空区时可能会发生涌突水、突泥灾害事故。隧道施工通过软岩、断层破碎带及其影响带、采空区段时易发生变形塌方。

经安全风险评估，华蓥山隧道施工安全风险为Ⅳ级(极高风险)，因此，瓦斯安全控制对该隧道施工尤为关键。根据该工程的实际情况，从检测预报、通风供电、设备配置、施工方案等多方面采取了诸多安全控制措施，预防了安全事故的发生，为隧道顺利施工提供了保障。

3 所采用的安全控制措施

3.1 超前地质预报

本隧道施工设置了专业地质预报组，以地质素描法、TSP地震波法、地质雷达、地质水平钻探相结合的综合手段对前方围岩情况进行探测，对掌子面前方的隧道围岩进行长期、中期及短期预报。通过长、中、短期预报提高了预报的准确度，对异常地质情况及时采取了相应的防治手段。

对于本隧道地质情况较差段的每个开挖循环均进行了地质素描，根据地质素描对前方围岩进行判断。同时，采用TSP 超前预报，每次预测距离为100 m。根据预测的围岩地质情况，对TSP探测断层、裂隙发育的洞段采用超前钻孔进行重点探测。

采用超前钻孔验证物探探测的异常洞段。长距离钻孔超前探测50 m，每30 m一循环，每孔长50 m；短距离钻孔超前探测20～30 m，每25 m一循环，每孔长30 m。

为提高地质预报的准确性，除采用上述方法进行地质预报外，同时利用地质雷达进行地质超前预报。地质雷达探测范围在40 m以内，是一种非破坏型的探测技术，具有抗电磁干扰能力强，分辨率高，可现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰、直观的优点。

3.2 隧道施工采用的通风与供电

本隧道局部富集高瓦斯。施工阶段在第一条车行横通道贯通前，采用压入式通风；此后采用巷道式通风。为防止局部瓦斯的聚集，各阶段通风均配置了防爆风扇，以防止瓦斯的聚集。隧道内的局扇采用设有低、中、高速度的防爆型风机。施工通风均采用不间断连续通风，通风管采用抗静电、阻燃软风管。掌子面至二衬台车洞段采用移动式局扇配合软风管供风，以增加瓦斯易聚集地段的风速，防止瓦斯聚集。在施工过程中，及时接长风管，风管末端距工作面距离不应超过15 m。

“我是一个技术工人，应该在相应的岗位上发挥所长。现在让我到保洁岗位当个清洁工，工资还降低一半，我不能接受这样的安排。”成锐问：“这次谈话是通知，还是协商？如果是通知，我不接受公司的安排。如果是协商，我不同意公司的建议。”成锐认为，双方这次协商未就岗位调整达成一致，所以，他就继续在原岗位上班。

通风量计算必须综合考虑以下3方面因素并取最大值：洞内同一时间最多人数、稀释和排除炮烟所需风量、消除顶层瓦斯积聚所需风量。

瓦斯隧道的主供电配置了两套电源，隧道内采用双电源线路。电缆采用矿用橡套阻燃防爆电缆并在电路中安装了漏电保护装置和防爆自动馈电开关。为保证隧道通风、照明及监测系统等一级负荷供电，当一路电源停止供电时，另一路电源应在10 min内接通。当设两套电源有困难时，必须配置备用发电机，并安设风电闭锁装置。

根据相关规定，瓦斯隧道施工洞内的供电必须做到“三专”、“两闭锁”，即：专用变压器、专用开关、专用供电线路以及瓦斯浓度超标时与供电的闭锁及压入式通风的风机与洞内供电的闭锁。因此，高瓦斯和瓦斯突出工区洞内的局部通风机和电气设备必须与瓦斯监控系统进行风电、瓦电闭锁，当局部通风机停止运转时，应能立即自动切断局部通风机供风区段的一切电源。

为节约通风供电成本，可由专业技术人员对现场通风效果和瓦斯涌出状况进行检测，根据检测结果对通风系统及时进行阶段性调整，但必须保证洞内瓦斯浓度不超限。

3.3 对暨有设备防爆性能的改装

对于隧道高瓦斯和瓦斯突出工区的电气设备和作业机械应使用防爆型。而防爆型机械设备多用于煤矿工程。对于高速公路工程，配置煤矿专用机械设备使用率偏低，不够经济。因此，本工程针对瓦斯隧洞施工的特殊要求，对常规非防爆型机械设备进行了防爆改装，对内燃施工机械设备加配了车载式甲烷断电(熄火)控制装置。使用该装置实时监测其周围环境空气中的瓦斯浓度，当环境瓦斯浓度超过报警限值(0.3%CH4)时发出声光报警；浓度超过断电上限(0.5%CH4)后，控制装置自动断电熄火；只有当环境瓦斯浓度降到安全限值(0.3%CH4)以下时，内燃施工机械设备方可再次启动。

为节省施工成本，在保证正常通风的条件下，若洞内瓦斯浓度继续下降或保持相对稳定状态，非防爆的移动式机械设备也可进洞作业。

3.4 隧道爆破作业

隧道通过瓦斯段的开挖原则为：短进尺，弱爆破，强支护，勤监测，强通风，快喷锚。本工程施工时将每次开挖的进尺控制在2 m以内，采用上、下微台阶开挖，台阶长度控制在5 m以内。

根据相关要求，瓦斯隧道的爆破作业应采用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。煤矿许用炸药加入了食盐作消焰剂，能吸收热量，降低爆炸气体的温度，进而削弱瓦斯与氧的连续反应，安全性高。该雷管总延时时间不超过130 ms，从而使雷管延期小于瓦斯爆炸所需的感应期，以保证其不会引燃、引爆瓦斯。

开挖中出现的情况表明：煤矿许用炸药爆力和猛度只相当于一般岩石铵锑炸药的80%，毫秒电雷管只能选用到5段，从而制约了公路隧道大断面的施工进度。鉴于上述原因，在隧道开挖进尺过程中，当瓦斯浓度在0.3%时可不使用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。

3.5 揭煤防突及瓦斯排放

根据相关规定和实际施工经验，揭煤施工前应打超前钻孔和预测孔以探明煤层位置和瓦斯情况，进行煤与瓦斯突出危险性的预测。超前探孔可兼做炮眼，从而能节约成本，提高功效。

隧道开挖揭煤时宜采用台阶开挖。上导坑开挖时，掘进工作面至煤层约20 m远，按规定应打至少3个穿透煤层全厚的超前钻孔，以推测煤层是否有畸变。若发现地质构造复杂、岩体破碎，则在隧道开挖轮廓线外5 m范围内布置一定数量的超前钻孔，以确保能准确掌握煤层厚度、角度变化及瓦斯情况等。突出预测以钻屑指标法为主，钻孔瓦斯涌出初速度法为辅。隧道采用上、下导坑法开挖，突出预测孔主要控制上、下导坑断面(预测孔直径为50mm)。

当预测有突出危险时，必须采取具有针对性、便于实施的防突措施。防突采用多排钻孔排放或抽放。钻孔控制范围为：隧道轮廓外上方7 m，左右两侧6 m，底部3 m。排放瓦斯顺序为：上导坑打排放钻孔(坑底距煤层不小于5 m)→排放瓦斯15 d→揭煤穿过煤层→下导坑打超前钻孔及预测孔。当判定有突出性危险时→由下导坑底顺煤层打扇形排放钻孔→排放瓦斯15 d→下导坑揭煤穿过煤层。瓦斯排放时，所有洞内掘进施工应停止。

3.6 突泥、涌水及塌方的预防

隧道在通过岩溶水、地下水发育的软弱破碎围岩及断层地段工区时，应加强超前水文、地质探测预报，提前预知前方围岩的地质情况，预测并判断其是否具有突泥、涌水的可能，防止灾害事故的发生。对于设计有超前地质钻探预报方案时，按设计方案进行施工；设计无超前地质预报时，可采取超长钻孔(钻孔长度为5 m以上)，以探知前方围岩地质情况。

超前探测有突泥、涌水可能时，现场应果断采取处理措施。施工中常采取“以引排为主，堵水为辅”的排水方案。对于可能有突泥、涌水的洞段，可采用钻孔、小导坑方式进行应力释放；对危险程度较高的地段，可采用设止浆墙封堵、迂回导坑通过等技术方案。

现场发现有突泥、涌水或塌方先兆且极其危险时，必须立即停止施工，组织人员、机械迅速撤离危险区域。紧急情况下，必须优先组织人员撤离。

4 结 语

瓦斯隧道防爆、防突、防塌为安全施工的核心问题。为防止灾害事故发生，必须认真做好超前地质预报、施工通风及相应的应急救援预案，确保安全方面的资源投入不打折扣。因瓦斯隧道施工的安全问题也是世界级难题，需要更多的工程人士和学者致力于施工安全控制研究，早日研讨出行之有效的方法，既可保障安全施工，又能节约施工成本。

参考文献：

[1] 铁路瓦斯隧道技术规范，TB10120-2002[S].

作者简介:

曹优兰(1980-)，女，四川广安人，工程师，从事水电工程施工技术与管理工作.